基于誘導振動的鋼管混凝土脫空無損檢測技術的研究及應用

格桑澤仁

(西藏自治區交通工程質量安全監督局， 拉薩850001)

基于誘導振動的鋼管混凝土脫空無損檢測技術的研究及應用

格桑澤仁

(西藏自治區交通工程質量安全監督局， 拉薩850001)

由于鋼管混凝土具有強度高、耐疲勞等特點，在橋梁工程中得到了廣泛應用。鋼管混凝土在施工或運行過程中，因混凝土材料配比、環境等多方面因素影響，導致鋼管混凝土脫空現象普遍存在。通過對比現有鋼管混凝土脫空檢測方法，在敲擊法的基礎上提出了基于誘導振動法的鋼管混凝土脫空檢測技術。并深入分析敲擊力度等方面對該方法的影響，同時利用該方法對鋼管混凝土橋梁進行現場測試，并對測試結果進行破損驗證，驗證結果與測試結果吻合度高。通過現場對該方法進行工程檢測應用，說明該方法能夠準確測試鋼管混凝土的脫空。為鋼管混凝土脫空提供新的可靠測試方法，為鋼管混凝土結構的補修加固方案提供可靠依據。

誘導振動法；鋼管混凝土；脫空；無損檢測

引言

眾所周知，混凝土具有很好的抗壓性能，但抗彎特性很低，而鋼材具有很強的抗彎性能，在受壓時，鋼材很容易失穩[1-2]。鋼管混凝土則結合了二者的優點，鋼管的存在，提供的圍壓可使混凝土處于側向受壓狀態，使得鋼管混凝土的抗壓承載力優于普通混凝土，而混凝土的存在可提高鋼管的剛度。因此，核心混凝土處于多向受壓，使兩種材料的優點得以充分發揮，使混凝土的抗彎性能大為改善，可以避免或延緩鋼管發生部分屈曲，從而使鋼管混凝土具有高強度、重量小、延性強、耐疲勞、耐沖擊等力學性能和省工省料、架設輕便、施工快捷等特點，使鋼管混凝土技術在橋梁工程中得到大量應用。

據相關資料[3]，鋼管混凝土拱橋的脫空(脫粘)現象普遍存在。根據脫空產生的原因，可以分為以下兩類：

(1)核心混凝土不密實引起的脫空：主要為在澆筑過程中缺陷引起混凝土和鋼管界面的孔洞、水膜層造成。

(2)脫粘引起的脫空：在軸壓、溫度、收縮、徐變等因素作用下，核心混凝土與鋼管接觸面間產生的拉應力、剪應力超出兩者的粘結強度而產生的脫空[4-5]。例如，鋼管混凝土拱橋直接與陽光作用。夏季，鋼管表面溫度可達80 ℃，而內部核心混凝土一般為50 ℃。鋼管混凝土拱橋歷經多年，核心混凝土經過長期的收縮、徐變完成(相當于溫降20 ℃)。這兩種情況共同作用[6]，相當發生約70 ℃溫差，在大直徑鋼管中很容易導致鋼管和核心混凝土脫空(即鋼管與核心混凝土分離)，特別是在拱頂部位。

當出現該情況后，使整個鋼管混凝土的受力情況發生重大變化。造成混凝土的圍壓降低，嚴重情況下，可導致鋼管本身發生座屈的可能，進而大幅降低鋼管混凝土的承載力[7-8]。

及時明確鋼管混凝土脫空位置及區域，并進行相應處理，對其進行有效檢測是必不可少的。目前，根據我國的相關規程及標準，已對鋼管混凝土的內部質量檢測給出了相應的檢測方法。

1 現有檢測方法對比

經過對現有方法的歸納，主要檢測方法包括鉆芯法、敲擊法、超聲波檢測法、沖擊回波法[9-11]，其主要特點見表1 。

表1 各測試方法統計一覽表

通過各檢測方法的對比，可以發現這些方法雖然都有相應的適用范圍，但是其缺點也相對明顯。需要對現有方法進行改進或提出新的方法。其中，檢測方法中的敲擊法，其根本是通過敲擊被測對象，通過聲音來確定缺陷位置。該方法在進行測試時，對環境噪聲的要求高，且存在較強的隨機性。研究者在此基礎上，提出了基于卓越周期及持續時間的鋼管混凝土脫空的無損檢測方法：誘導振動法。

2 誘導振動法基本原理

當鋼管混凝土產生脫空時，敲擊鋼管時振動特性會發生鋼管的彎曲剛度顯著降低，卓越周期增長；振動能量的逸散變緩，振動的持續時間變長(圖1 )[12-13]。

圖1 誘導振動法原理

3 影響因素分析

利用激振錘對結構進行激振時，需要注意振動信號卓越周期的影響因素。可能的影響因素包括：傳感器的固定方式、敲擊力度等。其中為了避免傳感器固定方式對卓越頻率的影響，傳感器可采用專用統一固定方式進行拾振。對激振錘敲擊力度的影響，進行如下模擬試驗進行分析。

3.1 試驗設計

為了避開測試對象的塑性變形對卓越周期的影響，測試對象采用厚度約20 mm的鋼材，傳感器探頭的固定方式采用磁性固定的方式(傳感器探頭的位置不變)，同時采用不同的敲擊力度對相同位置激振。測試結果見表2 。

表2 測試數據

3.2 試驗結果分析

通過試驗可知，當被測對象內部情況相同時，不同的敲擊力度對測試信號的卓越周期沒有影響，說明激振錘的敲擊力度對基于卓越周期的鋼管混凝土脫空的檢測方法沒有影響。

4 現場試驗

4.1 工程概述

測試對象橋梁為獨拱肋鋼管混凝土拱梁組合橋，橋長97.2 m，寬24 m。主拱肋高140 cm，寬310 cm，左右鋼管外徑均為140 cm，壁厚為25 mm(圖2 )。

圖2 某鋼管混凝土橋梁

根據現場的情況，對結構的重點部位進行布點測試，測點布置方案如圖3 所示。為了提高測試效率及測試結果的準確性，現場測試時，傳感器的固定采用磁性吸附方式。

圖3 測點布置

4.2測試結果

測試發現該橋某區域存在大面積脫空(圖4 )。施工單位隨即對測試結果顯示脫空位置處進行鉆孔驗證。因脫空深度為幾毫米，通過肉眼無法精確判斷，因此對鉆孔區域進行注水驗證。由于注入的水迅速滲入，表明該區域存在大面積脫空，從而驗證了檢測結果。

圖4 測試結果圖

4.3試驗結果分析

通過在現場利用誘導振動法對在役鋼管混凝土橋梁進行脫空檢測，并對脫空位置進行破損驗證，測試結果與開孔的結果一致性較高。

對測試數據采用相對分析評判方法，即采用了超聲法檢測混凝土缺陷技術規程中異常數據的處理方法[14]，當測試區域內同時包括脫空與密實的狀態時有較好的測試精度，而測試區域內存在大面積或全部脫空的情況時，則存在較大的測試偏差。

因此，在實際測試鋼結構脫空的過程中，準確設置脫空閾值將直接影響脫空的測試精度。

5 結束語

通過對鋼管混凝土橋梁脫空現有測試方法的對比，發現現有方法對鋼管混凝土脫空檢測均存在一定程度的不足。本文在敲擊法的基礎上，采用高精度的傳感器及信號采集裝置，提出了針對鋼管混凝土脫空測試的新方法(誘導振動法)，并深入了分析該方法的相關影響因素。同時進行了相關的試驗研究。

在室內對彈性結構(鋼板)進行測試，得到脫空特征參數(卓越周期)與敲擊力度大小基本無關。當混凝土結構表面出現脫空等缺陷時，卓越周期會隨著脫空的嚴重程度不同而變化。通過現場實測，利用誘導振動法對鋼管混凝土橋梁的脫空進行檢測，并對檢測結果進行破損驗證，驗證結果表明，該方法能夠準確的測試出鋼管混凝土的脫空位置及區域，為了更準確的測試鋼管混凝土的脫空，需要準確的設置脫空閾值。

誘導振動法是的是鋼管混凝土脫空檢測的新的有效測試方法，為鋼管混凝土的補修加固方案提供可靠的依據。

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[14]CECS21:2000,超聲法檢測混凝土缺陷技術規程.

Research and Application on the NDT Technology for Concrete Vibro-vacancy Based on Induced Vibration

GESANGZeren

(Tibet Autonomous Region Traffic Engineering Quality and Safety Supervision Bureau, Lhasa 850001, China)

Due to its high strength and fatigue resistance, concrete-filled steel tube has been widely used in bridge engineering. However, void phenomenon of concrete-filled steel tube (CFST) is common in the process of construction or operation because of the ratio of concrete material and environment, and so on. In this paper, based on the knocking method, the hollow concrete filled steel tube (CFST) hollow steel tube based on induced vibration method is proposed. And the influence of the striking force on the method is analyzed. At the same time, this method is used to test the concrete-filled steel tubular bridge in the field, and the test results are verified by the damage test. The results agree well with the test results. It is proved that the method can accurately test the voids of concrete filled steel tube by the engineering application of the method in the field which provides a new reliable test method for concrete-filled steel tube (CFST) voids and provides a reliable basis for the repair and reinforcement of concrete-filled steel tubular structures.

induced vibration method; concrete filled steel tube; voiding; nondestructive testing

2016-10-09

格桑澤仁(1984-)，男，四川巴塘人，主要從事公路、橋梁、隧道檢測方面的研究，(E-mail)158278405@qq.com

1673-1549(2017)01-0075-04

10.11863/j.suse.2017.01.14

TU132

A